市政污泥干化碳化成套工艺技术介绍及产业化案例分享
慧聪水工业网摘要：本文对污泥连续热力干化耦合绝氧热解工艺进行了详细介绍，并以青岛市即墨区300t/d污泥干化碳化处置工程为例进行了分析。污泥热力干化碳化技术具有减量化彻底、热量利用率高、排放环保、重金属固化、产物安全利用等优点，基于上述技术和环境友好优势，该工艺成为实现污泥处置的优选工艺之一。
在城市污水处理过程中，污水经过一系列处理得以达标排放，而大量污染物被富集、浓缩而转移至污泥中。2015年全国污泥年总产量接近4000万吨（以含水率80%计）。按照预测，到2020年污泥产量将突破年6000万吨。城镇污水处理厂污泥不仅含水量高、易腐烂、有强烈臭味，并且含有大量病原菌、寄生虫卵以及铬、铜等重金属和多环芳烃等难以降解的有毒有害及致癌物质。污泥未经处理随意堆放，经过雨水的侵蚀和渗漏作用，易对地下水、土壤等造成二次污染，直接危害人类身体健康[2-3]。
2020年7月国家发改委、住建部联合印发的城市生活污水处理设施补短板强弱项实施方案》明确提出到2023年，进一步提高城市污泥无害化处置率和资源化利用率[4]。
国内目前污泥处置的最终去向可分为卫生填埋、土地利用、厌氧消化、好氧堆肥、干化焚烧、炭化等。在上述技术中污泥碳化和焚烧能实现污泥的彻底减量化，而热解碳化跟焚烧相比，具有烟气排放量少、源头抑制二噁英生成、污泥炭用途安全多样等优点，采用热解碳化技术处置污泥越来越普遍[5-7]。
01污泥绝氧热解碳化成套工艺
污泥绝氧热解碳化技术，就是将脱水后的污泥（含水率30%以下）进行间接绝氧加热，使污泥在500～650℃温度下进行热分解，固体产物冷却后成为污泥炭，热解产生的挥发性气体燃烧后提供碳化所需热量的技术。
污泥中的重金属在碳化过程中转化为残渣态，实现了稳定化，避免在自然界中释放析出，实现彻底安全处置。同时污泥中的抗生素在碳化过程完全分解，彻底无害化。
污泥炭产物可安全消纳使用，用途广泛。在碳化过程中，污泥中丰富的N、P、K绝大部分留存在污泥炭中，因此污泥炭可作为园林绿化营养土、土壤改良剂；污泥炭化学和物理性质稳定，可作为建材原料使用；又由于其含有较发达的孔隙结构，可作为吸附材料直接或加工后使用；同时污泥炭含水率极低，热值约1500大卡，也可以作为燃料使用。
因此，在目前的污泥资源化利用技术中，污泥热解碳化技术是国际上最先进的环保热点技术之一。
02工艺流程
1、污泥浓缩：污水处理厂含水率97%的脱水污泥通过泵输送至调质池中，添加药剂后，经叠罗浓缩机浓缩到含水率95%的泥浆。
2、污泥调质：调配好的污泥通过泵送至污泥调理罐，加入药剂后进行搅拌调理，使污泥的细胞壁破坏，便于后续挤压脱水。
3、板框脱水：调理后的污泥送入板框机进行固液分离，污泥含水率降至60%左右。
4、热力干化：板框脱水后的60%的泥饼送入污泥干燥机，在干燥机内与碳化炉排出的余热烟气接触，加热蒸发水分，将含水率60%左右的污泥干燥至含水率20%以下。
在此环节，也可利用蒸汽余热锅炉，吸收碳化炉排出的热烟气产生蒸汽，送入污泥蒸汽干化机，与污泥间接接触蒸发脱水。
5、热解炭化：含水率20%左右的污泥，输送进入连续式绝氧热解碳化炉，与热烟气间接加热发生热解碳化反应，产生污泥炭排出经冷却后，送至炭渣储存仓。碳化产生的热解气进入热解气燃烧系统燃烧。
6、热解气燃烧：由碳化炉产生的热解气，进入热解气燃烧装置，产生800~900℃的烟气，返回碳化炉，为热解碳化提供热量。污泥热值较低时导致热解气热量不足时，由天然气补充提供。
7、热量的梯级利用：为了充分回收热量，热解炭化炉产生的热解气燃烧后，产生900℃左右的热烟气，热烟气首先进入热解炉，提供热解所需热量，从热解炉出来的烟气温度为600℃左右，为脱水泥饼的热力干燥提供热量，干燥后烟气温度降至120℃后进入烟气处理系统。
8、烟气处理系统：热解气和天然气燃烧过程中，会产生氮氧化物和二氧化硫等污染物。烟气通过脱硝、脱硫、除尘等工艺处理后达标排放。
03工艺优势
1、占地小
采用热化学处理技术，与其它非热化学处理技术如堆肥等相比，具有处理速度快、处理周期短，设备处理量大，占地面积小等优势。
2、减量化显著
减量化彻底，一次性减少污泥体积和总量90%以上。
3、无害化彻底
热解炭化处理后可实现100%杀灭各种有害病原菌，并彻底消解抗生素。
4、能耗低
污泥中的热值通过梯级利用的方式，得到最大程度的利用，大大降低了能耗成本。
5、清洁燃烧
燃烧的为热解过程产生的合成气体，为清洁燃烧。
6、重金属固化不再释放
热解炭化过程使污泥中重金属存在形态变得更加稳定、不会在后续利用中再释放、无害且有广泛的用途。
7、不受季节影响
该系统采用机械脱水和热力干燥，在冬季低温下和夏季高温下均能稳定运行，不受季节和气温的影响。
8、产物可安全利用
污泥热解炭化的产物为污泥生物炭，含水率极低，性质稳定，送至热电厂作为辅助燃料或作为园林改良土使用，符合循环经济的发展思路。
04典型案例分析
1、项目简介
山东省青岛市即墨300t/d市政污泥热解炭化项目，位于青岛市即墨区即墨污水处理厂院内，设计日处理污泥300吨/天，消纳处理即发污水处理厂内产生的污泥。
项目采用污泥调理+板框脱水+热力干化+热解炭化+尾气处理的工艺路线，建设有4套板框脱水系统，2条污泥干化碳化生产线。运行数据显示，污泥减量化程度达到90%以上，处理后的污泥炭渣作为建材原料在当地消纳使用。
该项目已于2019年建成投产，稳定运行，解决了即墨区污泥出路问题，可为国内污泥热解碳化处置项目提供参考。
2、项目安全性设计
1）干化单元安全性设计
本项目污泥干化热烟气直接换热干化的方式。进入污泥脱水后含水率60%左右，含湿量大。污泥进入干燥机，在干燥机内高速旋转的破碎装置作用下，与污泥与烟气进行快速降温蒸发过程，在干燥过程中，污泥温度低于100℃，烟气含氧量低，安全可靠。
2）热解碳化单元安全性设计
干燥后的污泥（含水率20%以下）进入碳化炉后，被烟气炉产生的烟气间接加热，热烟气不与污泥直接接触，污泥处于绝氧状态，整个系统处于微负压状态，通过氮气密封系统实现和外部氧气的隔绝，将污泥转化为污泥炭，实现安全运行。
具体安全设计如下：
①热烟气与污泥间接接触，不直接接触，确保安全。
②污泥碳化采用多重组合密封，包括启动、停机和运行过程中的充氮保护，确保污泥热解过程处于绝氧环境，确保运行安全性。
③污泥碳化炉内为微负压，同时又有多重密封保护，避免了热解气外溢和空气进入，确保了安全性。
3）热解气燃烧单元安全性设计
①热解气燃烧炉采用负压设计，避免烟气外溢，实现安全和环保。
②天然气作为热解气稳燃火炬，持续为热解气的燃烧提供点火能量，保证热解气及时着火燃尽；
③热解气燃烧炉内采用蓄热结构，高温蓄热材料在燃烧过程中保持在800~1000℃，当热解气热值和成分波动时，蓄热结构能保证热解气稳定着火燃烧；热风炉设置燃烧摄像头和等离子火焰监测，准确监控燃烧状况。
上述设计确保了污泥在干化及热解碳化过程的安全性，实现安全稳定运行。
3、污泥重金属固化效果分析
污泥炭产物的安全性是本技术的优势，对于本项目产生的污泥生物炭样品，按照《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别GB5085.3-2007》进行重金属浸出毒性测试，测试结果如表2所示。
从表2的测试结果来看，所有的重金属经过热解碳化处理后，其重金属的生物毒性降低到很低的水准，远远优于标准限值的要求。
这意味着污泥生物炭产品在进入自然界中，其中的重金属不再会对生物链造成危害，是可以安全利用的。
05总结
1、污泥调理脱水、热力强化干化、连续绝氧热解碳化技术的集成应用，具有能量利用效率高、减量化彻底、排放环保、污泥炭安全利用等优点，成为污泥处置领域的优选技术。
2、污泥连续绝氧热解碳化技术，采用中温热解工艺，将污泥在绝氧条件下间接加热，产生的热解气高温条件下低氮燃烧，符合850℃燃烧2s以上的条件，实现清洁燃气的燃烧，从源头上抑制了二噁英的产生，环保排放优良。
3、采用热力干化耦合绝氧连续热解碳化技术，凭借环保方面的巨大优势，不易产生邻避效应，选址落地更加容易，是市政污泥处理处置的发展趋势和方向。
